Integration Pressure-Retarded Osmosis with Direct Air Capture Process for Electricity Production and Decarbonization: Fouling Behavior and Life Cycle Assessment

Abstract

Direct air capture (DAC) is a promising approach for carbon dioxide removal, but its substantial energy demand remains a challenge for sustainable implementation. This research investigated the feasibility of integrating pressure retarded osmosis (PRO) with aqueous hydroxide-based DAC to recover energy from high-salinity DAC process streams, focusing on membrane fouling, fouling mitigation, and environmental performance. PRO performance was evaluated under CaCO3 scaling and combined CaCO3-alginate fouling using simulated CO2-captured solutions as draw solutions. The results highlighted that (1) CaCO3 polymorph composition influenced scaling behavior, with amorphous calcium carbonate (ACC) forming denser cake layers that restricted water transport, while calcite formed more porous cake layer that restricted water transport less; (2) in both NaHCO3- based (pH ~7.59) and NaHCO3/Na2CO3-based (pH ~10.5) draw solutions, hydraulic pressure increased alginate deposition, while higher fouling resistance was associated with greater ACC deposition; (3) the CaCO3/alginate ratio influenced foulant deposition patterns: in the NaHCO3-based solution, more alginate in the draw solution faciliated greater deposition of both alginate and CaCO3, while in the NaHCO3/Na2CO3-based solution, alginate deposition was inversely related to CaCO3 deposition. Nevertheless, ACC deposition remained positively associated with fouling resistance at both pH levels; and (4) periodic water flushing removed ~88-99% of deposited CaCO3 and substantially recovered membrane performance, although most organic foulants remained. Comparative life cycle assessment showed ~0.82 ton CO2-eq net removal per ton of CO2 captured in the hybrid DAC-PRO process, comparable to renewable energy-driven DAC under Icelandic scenario. Overall, the findings demonstrate the technical and environmental feasibility of the proposed DAC-PRO process.Bein loftföngun (DAC) er vænleg aðferð til að fjarlægja koltvísýring úr andrúmsloftinu, en mikil orkuþörf hennar er enn áskorun fyrir sjálfbæra innleiðingu. Í þessari rannsókn var kannað hvort raunhæft væri að samþætta þrýstingshamlað osmósuferli (PRO) við DAC-ferli sem notar vatnslausn hýdroxíðs, með það markmið að endurheimta orku úr saltríkum vinnslustraumum DAC-ferlisins. Sérstök áhersla var lögð á himnumengun, mótvægisaðgerðir gegn himnumengun og umhverfisárangur. Frammistaða PRO var metin við CaCO3 útfellingar og samsett CaCO3-algínat himnumengun með sýndar CO2- föngunarlausnum sem draglausnum. Niðurstöðurnar sýndu að (1) samsetning kristalgerða CaCO3 hafði áhrif á útfellingarhegðunina, þar sem útfelling á myndlausu kalsíumkarbónati (ACC) myndaði þéttari kökulög sem heftu vatnsflutning, á meðan kalsít myndaði gljúpari kökulög sem heftu vatnsflutninginn minna; (2) í bæði NaHCO3-byggðum (pH ~7,59) og NaHCO3/Na2CO3-byggðum (pH ~10,5) draglausnum hækkaði vökvaþrýstingur útfellingu algínats, á meðan meira viðnám vegna himnumengunar tengdist aukinni ACC-útfellingu; (3) hlutfallið á milli CaCO3 og algínats hafði áhrif á útfellingarmynstur himnumengunarinnar: í NaHCO3-byggðu lausninni leiddi meira algínat í draglausninni til meiri útfellingar á bæði algínati og CaCO3, á meðan í NaHCO3/Na2CO3- byggðu lausninni var útfelling algínats í öfugu hlutfalli við CaCO3-útfellingu. Engu að síður hélst ACC útfelling í jákvæðu samhengi við viðnám vegna himnumengunar á báðum pH-gildum; og (4) Samanburðarlífsferilsgreining sýndi um 0,82 tonna CO2-ígildi hreinni fjarlægingu á hvert tonn af fangaðri CO2 í samsetta DAC-PRO ferlinu, sem var sambærilegt við DAC-ferli sem er knúið af endurnýjanlegri orku við íslenskar aðstæður. Í heild sýna niðurstöðurnar tæknilega og umhverfislega hagkvæmni fyrirhugaðs DAC-PRO ferlis.